[论文解读] Photonic Generation of Ultrastable Microwave Signals

Tara M. Fortier, Matthew S. Kirchner+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2011

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 23被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于高Q值光学谐振腔和光频梳的光子微波信号源，实现了在1秒积分时间内相位不稳定度低于8×10⁻¹⁶的超稳定10 GHz微波信号。该方法利用光频到微波的频率分频技术，实现了无需低温冷却的运行，性能可与最先进的微波振荡器媲美。

ABSTRACT

There has been increased interest in the use and manipulation of optical fields to address challenging problems that have traditionally been approached with microwave electronics. Some examples that benefit from the low transmission loss, agile modulation and large bandwidths accessible with coherent optical systems include signal distribution, arbitrary waveform generation, and novel imaging. We extend these advantages to demonstrate a microwave generator based on a high-Q optical resonator and a frequency comb functioning as an optical-to-microwave divider. This provides a 10 GHz electrical signal with fractional frequency instability <8e-16 at 1 s, a value comparable to that produced by the best microwave oscillators, but without the need for cryogenic temperatures. Such a low-noise source can benefit radar systems, improve the bandwidth and resolution of communications and digital sampling systems, and be valuable for large baseline interferometry, precision spectroscopy and the realization of atomic time.

研究动机与目标

• 开发一种稳定性可与最先进的低温微波振荡器相媲美，但无需低温冷却的微波源。
• 利用相干光系统的低相位噪声和大带宽特性，实现微波信号生成。
• 展示一种基于光频梳作为光域到微波域分频器的光子方法，实现超稳定信号合成。
• 为雷达、通信和精密测量系统中对高光谱纯度和长期稳定性有要求的应用提供支持。

提出的方法

• 利用高Q值光学微谐振腔生成宽带光频梳。
• 将光频梳用作频率分频器，将光频分量下变频至微波频率。
• 通过相干光探测技术从光梳的梳齿中提取微波信号。
• 通过精确控制梳齿间隔和锁定，实现相位相干性从光域到微波域的转移。
• 采用反馈系统稳定光梳重复频率，确保微波信号的长期稳定性。
• 采用低噪声光放大和低损耗光电探测技术，以保持信号完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于高Q值光学谐振腔和光频梳的光子系统，能否实现与最先进的低温微波振荡器相当的微波信号稳定性？
• RQ2 在高Q值谐振腔中通过光频分频生成的微波信号，其可实现的相对频率不稳定度是多少？
• RQ3 与传统电子微波振荡器相比，该光子微波信号源在相位噪声和长期稳定性方面的性能如何？
• RQ4 该方法能否在无需低温冷却的条件下运行，同时保持超稳定的微波输出？
• RQ5 在使用光频梳的光子微波生成链路中，主要的限制因素和噪声源是什么？

主要发现

• 系统生成的10 GHz微波信号在1秒积分时间内的相对频率不稳定度低于8×10⁻¹⁶。
• 实现的稳定性与最先进的微波振荡器（包括低温型）相当。
• 该方法在室温下运行，消除了高性能微波源通常所需的低温冷却需求。
• 光频梳实现了从光域到微波域的精确频率分频，具有高相位相干性。
• 采用高Q值光学谐振腔可有效抑制相位噪声，提升生成微波信号的光谱纯度。
• 由于其低相位噪声和高稳定性，该系统在雷达、高带宽通信和精密光谱学等领域具有应用潜力。